一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法
【專利摘要】超聲方法制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法。將一定量微米或納米尺寸的鋁粉體加入到裝有一定量水的燒杯中，并混合均勻，然后將燒杯放到裝有一定量40℃溫水的超聲水浴槽中進行超聲處理1小時，鋁粉體在超聲條件下與水發(fā)生反應，得到高活性的氫氧化鋁懸浮液。取250毫升一定濃度的以上氫氧化鋁懸浮液放入一已知體積的玻璃容器中，接著加入一定量的微米級金屬鋁粉體，并用玻璃棒將鋁粉體與懸浮液攪拌均勻，然后將玻璃容器密閉。在常溫常壓或常溫真空條件下，純鋁粉體能夠在氫氧化鋁懸浮液中與水連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣。這一發(fā)明的主要用途是為移動式千瓦級燃料電池及其它中小型便攜式燃料電池提供氫源。
【專利說明】一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，屬于化學化工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎。隨著社會的發(fā)展、人口的增長，人們對能源的需求越來越大。目前的能源供給主要以化石能源為基礎，化石能源的大量使用面臨著資源有限及嚴重的環(huán)境問題，如全球變暖、酸雨、霧霾天氣增多、PM2.5超標等，這些因素使得高效清潔能源技術的研究和開發(fā)迫在眉睫。氫能具有來源廣泛、零排放、可與其它形式的能源相互轉(zhuǎn)化等優(yōu)點，被視為21世紀最具潛力的清潔能源。燃料電池是氫能利用的理想方式，它可以直接將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏皇芸ㄖZ循環(huán)的限制，同時燃料電池的反應產(chǎn)物為水，對環(huán)境無污染。
[0003]目前，燃料電池的性能已有顯著提高，制造成本也有了很大的降低，但其大范圍應用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍受到氫源技術的制約。燃料電池用便攜式氫源要求所用制氫或儲氫材料的儲氫量高、無有毒物質(zhì)(如一氧化碳等)，同時要求供氫系統(tǒng)較為簡單、緊湊。然而，目前最常用的儲氫方式是高壓壓縮儲氫以及低溫液化儲氫。高壓儲氫通常采用笨重的鋼瓶作為容器。由于氫密度小，故其儲氫效率很低，存儲7%~8%的氫氣需要700個大氣壓的高壓。而液化儲氫需要將氫氣冷卻到-252攝氏度(° C)的低溫，然后貯存在絕熱容器中。對商業(yè)化應用而言，高壓壓縮儲氫以及低溫液化儲氫很難滿足燃料電池的需求。
[0004]為了解決燃料電池的氫源問題，人們將注意力轉(zhuǎn)向原位產(chǎn)氫材料。原位產(chǎn)氫材料通常比氫氣更易存儲與運輸，同時可以現(xiàn)場制氫、實時供氫，這在一定程度上回避了氫的儲存和運輸難題。目前，原位產(chǎn)氫材料主要有兩大類，其中一類是金屬氫化物，如硼氫化鋰(LiBH4)、硼氫化鈉(NaBH4)和硼氫化鉀(KBH4)等。在金屬氫化物中，硼氫化鈉(NaBH4)研究得最多，它可以與水反應產(chǎn)生氫氣，而且可以很方便地調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率。然而硼氫化鈉(NaBH4)制氫必須使用催化劑，而催化劑通常為昂貴的金屬材料，如鉬(Pt)、釕(Ru)等；同時硼氫化鈉(NaBH4)價格昂貴，約為每公斤55美元(US$55/kg)，這極大地限制了其在燃料電池中的廣泛應用。原位產(chǎn)氫材料的另一類為金屬或金屬合金，如鋅(Zn)、鎂(Mg)、鋁(Al)等。在各種金屬之中，金屬鋁是最有潛力的一種產(chǎn)氫材料，因為鋁性質(zhì)活潑、資源豐富且價格相對低廉，I公斤(kg)鋁與水反應可以產(chǎn)生0.11公斤(kg)氫氣。然而，當金屬鋁暴露于氧化環(huán)境時其表面會形成一層致密的氧化物保護膜，阻礙了鋁與水的直接反應。為了使鋁與水能夠直接反應，人們采用了各種活化方法來破壞鋁表面的保護膜，如鋁在堿性溶液中反應、鋁的合金化、將鋁與不同氧化物或碳材料進行機械球磨、鋁的表面改性等。但目前已有的活化方法有著不同的缺陷，如成本較高、具有腐蝕性、反應不易控制、產(chǎn)氫速率較慢、制備過程較為復雜等，這在一定程度上限制了鋁-水反應產(chǎn)氫技術的應用。因此，尋求新的鋁-水反應制氫技術顯得尤為關鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，是一種新型、廉價的、簡潔的制氫技術，可直接為移動式千瓦級燃料電池或小型便攜式器件所攜帶的燃料電池提供氫源。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，具有以下的過程和步驟:
a.將一定量微米或納米尺寸的鋁粉體加入到裝有一定量水的燒杯中(水與鋁粉體的重量比為100:1至300:1)，并將鋁粉體與水混合均勻；然后將燒杯放到裝有40°C溫水的超聲水浴槽中進行超聲處理I小時，燒杯中的純鋁粉體在超聲條件下，能夠與水完全反應并產(chǎn)生高活性的氫氧化鋁顆粒產(chǎn)物，形成高活性的氫氧化鋁懸浮液；
b.將微米尺寸的純鋁粉體加入到上述氫氧化鋁懸浮液中，然后放入密閉容器中，并將鋁粉體和懸浮液混合均勻；純鋁粉體占純鋁粉體和氫氧化鋁總體積的體積比為60%至90% ；
c.在常溫常壓或常溫真空條件下，以上密封容器中的純鋁粉體在高活性氫氧化鋁的催化作用下與水以較快的速度連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣。
[0007]所述步驟a中的高活性的氫氧化鋁懸浮液的制備，可以由以下步驟替換:取一定量微米尺寸的鋁粉體加入到裝有一定量水的封閉容器中(水與鋁粉體的重量比為100:1至300:1 )，然后將封閉容器抽至真空，在40° C的條件下，鋁粉體與水發(fā)生反應，反應之后得到高活性的氫氧化鋁懸浮液。
[0008]所述步驟a中的高活性的氫氧化鋁懸浮液的制備，可以由以下步驟替換:直接將微米尺寸的商業(yè)氫氧化鋁粉體加入到水中并混合均勻(水與氫氧化鋁的重量比為100:1至200:1),形成氫氧化招懸浮液。
[0009]本發(fā)明方法的反應方程式為:
鋁(Al) + 水(3H20)—氫氧化鋁(Al (OH)3) +氫氣(3/2? ? )
反應的副產(chǎn)物氫氧化鋁為化學中性、對環(huán)境無污染，且反應后的副產(chǎn)物氫氧化鋁懸浮液可直接用于后面的鋁-水制氫反應，也可以通過熔融電解技術還原成金屬鋁作循環(huán)使用。
[0010]本發(fā)明方法的優(yōu)點如下:
(I)本發(fā)明不需要使用酸堿、不需要活化鋁的過程，純鋁粉體就能夠在高活性氫氧化鋁(Al(OH)3)的催化作用下與水連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣。
[0011](2)反應的溶液及副產(chǎn)物氫氧化鋁均為化學中性，無環(huán)境污染，副產(chǎn)物可以通過熔融電解技術還原成金屬鋁作循環(huán)使用，反應后的副產(chǎn)物懸浮液也可以直接用于后面的招-水制氫反應。
[0012](3)金屬鋁價格相對便宜，鋁來源豐富；用鋁粉體產(chǎn)生I公斤(kg)氫氣的成本約為硼氫化鈉(NaBH4)的六分之一。 [0013]因此本發(fā)明方法可以為移動式千瓦級燃料電池及其它小型便攜式燃料電池提供氫源?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0014]圖1實驗所用平均尺寸為(a) 72.9納米、(b) 2.25微米、(C) 7.29微米的純鋁(Al)粉體及(d)平均尺寸為2.50微米的商業(yè)氫氧化鋁(Al(OH)3)粉體的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[0015]圖2常溫(30° C)常壓條件下，在使用不同方法制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中7.29微米的純鋁粉體與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展情況。
[0016]圖3(a)是使用尺寸為2.25微米的純鋁粉體在40° C和超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液放置不同時間后，常溫(30° C)常壓條件下7.29微米的純鋁粉體在以上懸浮液中與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展情況。圖3(b)是使用尺寸為2.25微米的純鋁粉體在40° C和超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液放置30天后重新超聲處理I小時，常溫(30° C)常壓條件下7.29微米的純鋁粉體在以上懸浮液中與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展情況。
[0017]圖4使用不同尺寸(72.9納米、2.25微米、7.29微米)的純鋁粉體在40° C和超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中，常溫(30° C)常壓條件下7.29微米的純鋁粉體與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展情況。
[0018]圖5使用尺寸為2.25微米的純鋁粉體在40° C和超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中，常溫(30° C)常壓或常溫0.06個大氣壓(0.06 bar)的真空條件下7.29微米的純鋁粉體與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展情況。
【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
[0020]如圖1所示，是本發(fā)明所用微米和納米尺寸的純鋁粉體(Al)及商業(yè)氫氧化鋁(Al(OH)3)粉體的掃描電鏡(SEM)照片，鋁顆粒的形狀是不規(guī)則的，尺寸有一定的分布。
[0021]一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，具有以下的過程和步驟:采用3種方法制備氫氧化鋁(Al (OH)3)懸浮液:(I)取一定量微米或納米尺寸的鋁(Al)粉體加入到裝有一定量水的燒杯中并混合均勻，然后將燒杯放到裝有一定量40°C溫水的超聲水浴槽中進行超聲處理I小時，鋁粉體在超聲條件下與水發(fā)生反應，反應之后得到氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液；(2)取一定量微米尺寸的鋁(Al)粉體加入到裝有一定量水的封閉容器中，然后將容器抽至0.04 bar (0.04個大氣壓)的真空，在40° C的條件下鋁粉體與水發(fā)生反應，反應之后得到氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液；(3)直接將2.50微米的商業(yè)氫氧化鋁粉體加入到水中并混合均勻形成氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液。
[0022]取250毫升(mL) —定濃度的氫氧化鋁(Al (OH) 3)懸浮液(水與氫氧化鋁的重量比為200:1)放入一密閉玻璃容器中，接著加入一定量的金屬鋁(Al)粉體(鋁粉體在(鋁粉體+氫氧化鋁)中所占體積比為30%)，并用玻璃棒將鋁粉體與懸浮液攪拌均勻，然后將玻璃容器密閉。如需真空就將密閉的玻璃容器中的氣壓抽至0.06 bar (0.06個大氣壓)的真空氣壓，由于鋁與水反應只產(chǎn)生氫氣，因此我們通過記錄密閉玻璃容器中的氣壓變化來計算出反應所產(chǎn)生氫氣的體積，再根據(jù)理想氣體方程可計算出金屬鋁粉體與水的完全反應率隨時間的變化，也就是產(chǎn)氫進展曲線。[0023]如圖2所示，在常溫(30° C)常壓條件下，在去離子水中，純鋁(Al)粉體在22小時內(nèi)不會與水反應并產(chǎn)生氫氣。但是在氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中，純鋁粉體在經(jīng)過一段短時間的誘發(fā)期后將與水連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣。氫氧化鋁懸浮液中所含的氫氧化鋁作為催化劑促進了鋁粉體與水的反應。鋁粉體在使用2.25微米的純鋁粉體超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁懸浮液(UAH)中的產(chǎn)氫效果最好，其次是使用2.25微米的純鋁粉體在
0.04bar (0.04個大氣壓)的真空條件下與水反應所制備的氫氧化鋁懸浮液(VAH)和直接向去離子水中加入商業(yè)氫氧化鋁粉體所制備的氫氧化鋁懸浮液(CAH)。表明超聲方法制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液具有高的化學活性，能夠明顯地促進鋁與水的反應產(chǎn)氫。
[0024]如圖3所示，使用2.25微米的純鋁粉體在超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al (OH) 3)懸浮液放置一段時間后，氫氧化鋁的活性會稍微降低然后趨于穩(wěn)定，鋁粉體在氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中的產(chǎn)氫性能稍微降低然后趨于穩(wěn)定。然而將放置30天的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液超聲處理I小時后，鋁粉體在懸浮液中的產(chǎn)氫性能與其在新制備的懸浮液中的產(chǎn)氫性能幾乎相同，說明氫氧化鋁的活性重新恢復到初始狀態(tài)。以上結果表明超聲方法制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液具有很好的穩(wěn)定性及活性復原性，適合于商業(yè)化應用。
[0025]如圖4所示，鋁粉體在氫氧化鋁(Al (OH)3)懸浮液中的產(chǎn)氫性能與制備氫氧化鋁懸浮液所用的鋁粉體的平均尺寸密切相關。其中使用平均尺寸為72.94納米的鋁粉體與水反應所制備的氫氧化鋁懸浮液的產(chǎn)氫性能最好，其次是使用平均尺寸為2.25微米、7.29微米的純鋁粉體與水反應所制備的氫氧化鋁懸浮液。說明制備氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液所用的鋁粉體的平均尺寸越小，其活性越高、產(chǎn)氫性能越好。
[0026]如圖5所示，在 常壓和0.06bar (0.06個大氣壓)的真空條件下，在使用2.25微米的純鋁粉體超聲條件下與水反應所制備的氫氧化鋁(Al(OH)3)懸浮液中，鋁(Al)粉體均可以與水連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣，而且鋁粉體在真空條件下的產(chǎn)氫性能優(yōu)于其在常壓下的產(chǎn)氫性能。
【權利要求】
1.一種制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，其特征在于，具有以下的過程和步驟: a.將一定量微米或納米尺寸的鋁粉體加入到裝有一定量水的燒杯中，其中水與鋁粉體的重量比為100:1至300:1，將鋁粉體與水混合均勻；然后將燒杯放到裝有40°C溫水的超聲水浴槽中進行超聲處理I小時，燒杯中的純鋁粉體在超聲條件下，能夠與水完全反應并產(chǎn)生高活性的氫氧化鋁顆粒產(chǎn)物，形成高活性的氫氧化鋁懸浮液； b.將微米尺寸的純鋁粉體加入到上述氫氧化鋁懸浮液中，然后放入密閉容器中，并將鋁粉體和懸浮液混合均勻；純鋁粉體占純鋁粉體和氫氧化鋁總體積的體積比為60%至90% ； c.在常溫常壓或常溫真空條件下，以上密封容器中的純鋁粉體在高活性氫氧化鋁的催化作用下與水以較快的速度連續(xù)反應并產(chǎn)生氫氣。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，其特征在于，所述步驟a中的高活性的氫氧化鋁懸浮液的制備，由以下步驟替換:取一定量微米尺寸的鋁粉體加入到裝有一定量水的封閉容器中，其中水與鋁粉體的重量比為100:1至300:1，然后將封閉容器抽至真空，在40°C的條件下，鋁粉體與水發(fā)生反應，反應之后得到高活性的氫氧化鋁懸浮液。
3.根據(jù)權利要求1所述的制備高活性氫氧化鋁懸浮液及其與純鋁粉體反應產(chǎn)氫的方法，其特征在于，所述步驟a中的高活性的氫氧化鋁懸浮液的制備，由以下步驟替換:直接將微米尺寸的商業(yè)氫氧化鋁粉體加入到水中并混合均勻，其中水與氫氧化鋁的重量比為100:1至200:1，形成 氫氧化鋁懸浮液。
【文檔編號】C01F7/42GK103991888SQ201410225587
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權日:2014年5月26日
【發(fā)明者】鄧振炎, 楊陽, 蓋衛(wèi)卓 申請人:上海大學